生物地球化學

生物地球化學是地球化學的重要分支。是研究由於生物活動而引起地殼中元素遷移、轉化、富集、分散，以及由此引起生物繁殖、變異、衰減等規律的學科。 ^[1] 

生物地球化學是通過追蹤化學元素遷移轉化來研究生命與其周圍環境的科學。全球生物地球化學循環是研究元素的各種化合物在生物圈、水圈、大氣圈、岩石土壤圈之間的遷移和轉化。研究生物圈在生物有機體參與下發生的地球化學過程。這一術語首先由維爾納斯基在1902年提出，作為分支學科，生物地球化學在20世紀20年代基本形成。 ^[1] 

此學科由4個基本概念構成，即生物地球化學的量、流、羣和場。這4個概念從不同角度解析生物與環境的關係，並確定了生物地球化學的方法論。

生命是無機元素在宇宙特定條件下演化的結果，生命進化長期以來受制於環境，正是地球的物理、化學條件造就了當前生命的形態和組成。許多學者指出生物和地殼的化學元素組成的相似性：地殼丰度較高的元素大多在生命體中也有較高丰度，併成為生命的必需元素；地殼丰度較低的元素大多在生命體中含量也較低。研究者們將這一丰度上的相似性歸功於生物進化的結果。原始的脊椎動物文昌魚選擇了鐵來構成它血紅蛋白的載氧體系，而它的近親海鞘選擇了釩來運載血氧。由於鐵在原始海水中的丰度遠高於釩，且鐵在血液中的載氧效率也高，文昌魚贏得了進化優勢，最後發展成高等脊椎動物，而海鞘卻進入了進化的死衚衕，至今仍是海鞘。生命與環境在生物地球化學量上的這種制約關係，至今仍是決定生命健康的根本法則。中國有些山區農村的地方性克山病、大骨節病和甲狀腺腫即是某些化學元素（如硒，碘等）在水土中含量過低造成；當工業污染將許多本來在地球表面含量甚微的元素（如汞、鎘等）帶入環境後，人和環境在化學元素丰度上的乎行關係就被破壞，癌症和其它惡病也許會隨之而來。生物地球化學量研究的目標是探索生命及其無機環境（即地殼、土壤、海水等）在元素組成上的丰度關係，這種關係可能源自生命進化過程，並決定了當前生命對環境化學狀態的依賴性。

生物與環境的聯繫是“化學元素在生命一無機環境界面的交換為基礎的。通過化學元素在生態環境中的不斷流動，新鮮物質和能量輸人生物體，新陳代謝的廢物歸還給環境。追蹤一個或多個化學元素的遷移，會清楚地看到生物與其環境如何組成一個整體，我們稱之為生態系統。有時這種元素的流動會在其末端又與起點連接起來，形成一個生物地球化學循環（biogeoehemical cycle）。並不是所有化學元素都會在有意義的時間尺度內實現循環的，因此生物地球化學循環僅是生物地球化學流的一個特例。近年來，全球氣候變化成為人們關注的中心，人們關心二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和氧化亞氮（N₂O）等温室氣體的來龍去脈。由於這幾種主要温室氣體都是碳或氮遷移轉化的中間產物。因而碳和氮的生物地球化學循環驟然成為全球生態環境研究的焦點。 ^[2] 

當化學元素在環境或生物體遷移轉化時。它們大多以化合物的形式存在，這注定了化學元素在生態環境中很少獨來獨往，它們只有結伴成羣才對生命體有意義。如碳和氮在所有植物生長中的依存關係與葉綠紊生成息息相關；銅在血液中的存在促進機體對鐵的吸收，而鎘和鉛卻拮抗鐵的生物學作用；有機含硫化物在水體的存在會大大限制許多重金屬的運移等等。化學元素在生態環境中所呈現的羣組行為對於形成生物與環境的特定關係至關重要，這種羣組行為可由原子結構和化學鍵理論進行預測。通過熱力學，化學反應動力學、絡合物化學及量子化學來研究這種羣組現象，必將是未來生物地球化學的一個重要方面。

生物地球化學流描述元素如何在生態環境系統中遷移轉化，而生物地球化學場回答是什麼力量導致了元素的運動Ⅲ。在一個特定的時空位置上，任何化學元素都處在物理位移和化學形態轉化的多維動向之中；這些動向受幾種環境因子控制。主要的環境因子包括重力、輻射、温度、濕度、酸鹼度（pH）、氧化還原電位（Eh）及有關化學物質的濃度梯度。這些環境營力在時間和空間上不斷變化，形成一個動態的力場，任何一個置身其中的化學元素都將在這種多維力場的驅動下，或發生物理位移，或發生化學形態轉化。

上述4個基本概念分別描述了生物地球化學學科研究的主要方面：生物地球化學量研究生物與環境在長期進化過程中形成的特定丰度關係，這種關係決定了當前生命體的元素化學組成及其對環境化學狀態的依賴性；生物地球化學流追蹤化學元素在生態系統中的遷移轉化，描述生命和環境如何通過物質及能量交換而形成一個對立統一的整體；生物地球化學羣研究原子結構或化學鍵如何控制多種元素在生命體的共同存在及相互制約作用，同一化學元素在不同化合狀態下，可能對生命體有不同的意義；生物地球化學場是驅動元素在生態系統中遷移轉化的各種環境營力的綜合表達，預測生物地球化學場的時空變化是預測元素運動的前提條件。簡言之，生物地球化學的量、流。羣、場4個概念經緯交織構成了生物地球化學的學科主題，並演繹出生物地球化學的方法論。 ^[1] 

重點研究生物圈中各種化學物質的來源、存在數量和狀態，生物活動的特性，污染物的生物地球化學循環及遷移轉化規律，環境中化學物質對生物體和人類健康的影響等問題。

生物是地球演化的巨大地質營力，地球上幾乎所有重大現象和過程都離不開生物地球化學作用。例如，大氣圈的形成與耗損，土壤圈的形成與退化，水資源的變化和水質的惡化，全球變化等。生物地球化學的研究將為生物圈的開發利用和保護、環境保護、為智慧圈的建立提供重要的科學依據，為衞生保健和預防醫學、探礦以及資源的合理開發利用等方面作出獨特的貢獻。 ^[2]